Wytrzymałość elektryczna- jest to cecha materiałów elektrotechnicznych(izolatorów);
Właściwości zależą od:
-rodzaju dielektryka:
*STAŁE: papier(+ olej), polietylen(PE), polichlorek winylu (PCV), guma etylenowo-polipropylenowa(EPR), szkło, porcelana elektrotech, kompozyty(włókno szklane+ żywica epoksydowa), guma sylikonowa
*CIEKŁE(ciecze): olej mineralny(z ropy naftowej), olej syntetyczny, olej naturalny (rycynowy, rzepakowy)
*GAZY: powietrze, próżnia(rozrzedzone powietrze p<10-4Pa), SF6, CO2, N2
- grubości materiału izolacyjnego i rodzaju elektrod
-rodzaju napięcia i jego narastania (stałe, przemienne, udarowe(piorunowe, łączeniowe))
-temperatury, gęstości, ciśnienia
Statystyka WEIBULLA(prawdopodobieństwo przebicia w funkcji czasu)
F(t) = 1-exp[-((t-t0)/η)β]
t- rzeczywisty czas przebicia
t0 – czas charakterystyczny dla danego mater.
β – wsp. charakterystyczny dla danego mater.
Prawdopodobieństwo przebicia w zależności od napiecia, dla gazu wg krzywej Gaussa
Wytrzymałość elektryczna przy uwarstwieniu szeregowym dielektryków:
E1/E2 = ε1/ ε2 => E1* ε1=E2* ε2 => U = U1 + U2
Rozkład natężenia pola elektrycznego i odpowiadający im rozkład potencjałów w układzie:
większe E powoduje szybszy spadek V
Wytrzymałość elektryczna przy uwarstwieniu równoległym dielektrykó:
Układ walcowy koncentryczny:
Izolacje może stanowić papier i olej, PE, PCV
Układ walcowy uwarstwiony szeregowo:
Układ walcowy równoległy
x-dowolna przestrzeń pomiędzy prętami
Emx->r=x x=d-r
)
Trójkątny:
Płaski
Układ ostrzowy
α- kąt ostrza
Poin to point
W układzie o polu nie jednorodnym wyładowanie elektryczne występuje w 3 różnych etapach
1-świetlne,2 snopienie, 3przeskok(łuk, iskra).
Niesymetryczny - uziemiona jedna elektroda,Up=14+3,16a
Symetryczny- dwie elektrody mają napięcie, Up=14+3,36a
Rezystywność materiałów izolacyjnych
ρ=1/γ[Ωm]
R=ρ*l/S[Ωm/mm2]
-Rezystywność lub konduktywność zależy od rodzaju materiału i jego struktury wewnętrznej, oraz od defektów tej struktury.
-natężenie pola elektrycznego i czasu jego działania
-ilość i rodzaj zanieczyszczeń w materiale
-obecność czynników(wody,itp.)
-promieniowanie jonizacyjne
Rezystywność wewnętrzna:
Ri=U/I
Rezystywność skrośna:
ρ=R*S/l [Ωm]
ρ=R*π*r2/g
Rezystywność powierzchniowa
ρs=R*a/l[Ω]
Hydrofilność- cecha materiału do łatwego przyciągania cząstek wody Θ<90;
Hydrofobowość- skłonność odpychania cząsteczek wody Θ>90
ω=γ*(1+cosΘ)
ω-energia adhezji
γ-napięcie powierzchniowe
Θ- kąt zbliżenia
Przenikalność elektryczna w próżni
Ica- prąd ładowania pojemności geometrycznej
Icd- dodatkowa skłądowa pojemośćiowa po wprowadzeniu między okładki kondensatora materiału izolacyjnego o przenikalności εw>1
Ipol- składowa czynna na pokrycie strat energii na polaryzacjię
Ig- składowa czynna związana z przewodzeniem dielektryków
Tgδ- jako stosunek dwóch prądów nazywa się współczynnikiem stratności dielektrycznej
Tgδ=(Ipol+Ig)/(Ica+Icd)=IR/Ic
IR- prąd czynny w dielektryku
Ic- prąd bierny w dielektryku
φ=∫B*ds=∑qi
D=ε*F=ε0*εw*E
ε0=8,85*10^-12 [F/m]
ε0=1/36π*10^-9
Straty energii w dielektryku
Powody strat:
-WNZ
-prądem wpływu-zależy od rezystancji dielektryka
-zjawiskami polaryzacyjnymi
Pod wpływem napięcia stałego prąd w dielektryku można rozłożyć na 3 składowe
I=Ic+Ia+Iu
Ic- prąd ładowania związany z polaryzacją elektronową i jonową jest krótko trwały a jego energia jest zużyta na sprężystą deformację dielektryka
Ia- prąd absorbcyjny : związany z polaryzacją dipolową, wzrasta i zanika wolniej od prądu ładowania , jego energia zamieniana jest na energię potencjalną odkształceń sprężystych dipoli i na pokonanie oporów przy obrotach cząsteczek( ta część energii zmienia się w ciepło );
Iu- prąd upływu : wywołany przez konduktywność skrośną dielektryka, energia tracona jest na ciepło.
Prąd polaryzacji szybko zanika, pozostaje prąd upływu i spowodowane nim straty. W bilansie energetycznym straty od zjawiska polaryzacji dielektryka są pomijalnie małe w porównaniu ze stratami upływu. Moc tracona ; P = U*Iu = (U^2)/ Rs. Łączymy kondensator do źródła prądu sinus zmiennego, straty polaryzacji nie mogą być pominięte.
Straty przy napięciu przemiennym:
Jeżeli do materiału przyłożone jest napięcie przemienne wówczas proces ładowania i rozładowania powtarza się wiele razy w ciągu jednej sekundy, więc prąd polaryzacji nie może być pominięty. Sinusoidalnie zmienny prąd ładowania Ic ma charakter prądu biernego i wyprzedza napięcie o 90deg. Sinusoidalnie zmienny prąd absorpcji Ia, ma char częściowo czynny, gdyż powoduje wzrost temp wew. Materiału. Ma on dwie składowe: Ipol- składową czynna i Icd składową bierną odkształcenia sprężyste dipoli. Sinusoidalne zmiany prądu upływu Iu, ma charakter czynny i jest w fazie z 2 napięciami zasilającymi
Dobre materiały izolacyjne powinny się charakteryzować małym tgδ
Schemat zastępczy dielektryków w którym rozkłada się prąd na składowe czynne i bierną, można narysować jedno równoległe połączenie elementu R i C
Tgδ=IR/Ic=φ/Q
P=tgδ*ω*c*U^2
Tgδ=P/(ω*c*U^2)=U/(ω*c*U*R)
tg δ=1/2πfCR
tgδ zależy:
- f częstotliwości, energia tracona jest ma obrót dipoli
-temperatury, ruch dipoli zależy od lepkości ośrodka która zależy od temp
-najlepsze materiały dielektryczne mają tgδ=1*10^-4
W dobrych dielektrykach prąd czynny IR jest bardzo mały stąd kat δ i tg δ też są bardzo mała prąd Ic ładowania jest stosunkowo duży. Tgδ określa się dla materiału dielektryka, układu izolacyjnego.
Cecha materiałowa zależy od właściwości materiałów. Mierzy się tg δ na próbkach dielektryku przy stosunkowo małym napięciu przemiennym(do 100V)
Podział materiałów elektrotechnicznych
1) Przewodniki- mają przewodzić prąd, mają małą rezystancję ρ<10^-2 ale dla dużych konduktywności γ=1/ρ. Cu, Al, Ag, stal, Pb
2) Półprzewodniki : Si, Se, Ge, Se
3) Izolacyjne :ciekłe stałe gazowe;
-gazowe powietrze otoczenia, wytrzymałość elektryczna powietrza zależy od temp, ciśnienia, wilgotności, obecności promieniowanie ziemskiego, kosmicznego, od układu elektrod, natężenia pola elektrycznego Płaskie Up=23kv/32kV, Dla ostrzowych 4÷5kV
O2- tlen, działa bardzo korozyjnie na materiały metalowe (szybsze starzenie materiałów elektroizolacyjnych)
N- azot, nietoksyczny, kondensatory wzorcowe, pomiarowe, generatory elektrostatyczne, wytrzymałość jak powietrza.
CO2- w powietrzu 0,03%;b.trwały chemicznie; niepalny; nietoksyczny; tani; stosowany w aparaturze rozdzielczej; aparatura pomiarowa (kondensatory U) stos. W podwyższ. ciśnieniu; stosowana gdzie musi być wytworzona atmosf. Obojętna; 80% wytrz. powietrza.
H2- używany w turbogeneratorach jako czynnik chłodzący (ma dużą pojemność cieplną). Wady: wybuchowy, hermetyczne zamyka-nie, łatwopalny
Hel- gaz szlachetny do urządzeń kriogenicznych (b.niskie temp.) eksperymentalne kable energetyczne
Freony i Halony- są to gazy elektroujemne, wykazują powinowactwo elektronowe czyli są zdolne do przyłączania pojedynczych elektronów. Wytrz. 2,5*>od pow. Wady: nieprzyjazność dla środowiska nat; ograniczona wytrzymałość na ¯ temp, przy kontakcie z ogniem wydziela się trujący gaz: fozgen
SF6- sześcioflorek siarki- elektroujemny, nietoksyczny, b.trwały (do 800oC), bdb gasi łuk elektr. (wyłączniki ciśnieniowe), nie wywołuje korozji. Wady: 6* cięższy od pow.; pod wpływem wyładowań elektrycznych, rozpada się na związki trującej powodujące korozję (SF4,S2F10), b. drogi i trudny w uzyskiwaniu. Próżnia- b. rozrzedzony gaz p10-3Pa; duża wytrz. elektryczna (brak nośników) 5-10*>pow.Wykorzystywany w wyłącz. i aparaturze rozdzielczej średnich nap.
Ciecze elektroizolacyjne
Oleje izolacyjne- suciwa izolacji papierowej, w wyłącznikach do gaszenia łuku, transformatorach. Zadania: nasycanie izolacji papierowej (chłodzenie i gaszenie)
Oleje syntetyczne - PCB (chlorowane dwufenyle);
Oleje mineralne (z ropy naftowej);
Oleje roślinne (rycynowy- kondensatory impulsowe i udarowe);
Woda zdejonizowana (bez ładunków elektr.)- w laboratoryjnych głowicach kablowych);
Ciecze czyste (laboratoryjne: b. duża wytrzymałość elektryczna istotna);
Ciecze technicznie czyste (stosowane w praktyce);
Ciecze zanieczyszczone (gdy urządzenie jest długo eksploatowane).
Dielektryki
Dielektryki ciekłe :
- o budowie obojętnej - mają małą przenikalność ( np. olej mineralny e = 2,3 )
- o cząsteczce polarnej - mają większą przenikalność zależną od stopnia polarności ( np. woda e = 80 )
Dielektryki stałe :
- polimery organiczne o cząsteczce obojętnej - mała przenikalność ( np. polietylen e = 2,25 , teflon e = 2 - 2,1 )
- polimery o cząsteczce polarnej - przenikalność większa( np. celueloza e = 5,8 , epoksyd e = 3 - 4,5 )
- polimery krystaliczne - np. NaCl e = 4,3 ; mika e = 7 ; rutyl e = 80 ; BaTiO3 e = 3 - 4,5
Mechanizm przebicia elektrycznego
Mechanizm Townsend’a – mechanizm przeskoku generacyjnego
Cechą charakterystyczną jest to, że występuje przy małym iloczynie ap, w obszarze 100-1000hPa*cm
Pojawia się coraz więcej nośników w proc.
Jonizacji zderzeniowej a=(1/le)exp(-lj/le) (współczynnik)
Założenia: za wszystkie zjawiska odpowiedzialny jest pierwszy elektron wyrwany z elektrody; nowe nośniki po-wstają w czasie j. zderzeniowej; nie występują ładunki przestrzenne pomiędzy elektrodami.
Napięcie początkowe (krytyczne przeskoku)
A,P- stałe materiałowe
Nk- krytyczna liczba zderzeń jonizacyjnych
p- ciśnienie gazu
Opis: pod wpływem zewn. źródła jonizacji z katody następuje wybicie no elektronów w ciągu 1s.Pod wpływem zewn. pola elektrony są przyspieszane i powodują jonizację zderzeniową z cząstkami neutralnymi w przestrzeni między elektrodami. Pojawiające się cząstki Dn powodują pojawienie się następnych cząstek przewodzących w kolejnych zderzeniach. n=(no+Dn)eaa
Kryterium przeskoku wg Townsend’a: g* eaa =1, gdzie g-współ. j. powierzchniowej gÎ(10-3-10-5)
W czasie badań stwierdzono, że:
- nie można pominąć ładunku przestrzennego;
- istnieją przeskoki o 10-8s (niezgodność z teorią Towna.)
- iskra przeskoku ma kształt zygzaka (wg Townsenda miała być prostoliniowa)
Rozszerzono więc teorię przeskoku poprzez dołożenie mechanizmu kanałowego, który w zależności od odległości między elektrodami dzieli się na dwie części.
Paschen
Zależność przeskoku od iloczynu odległości i ciśnienia.
Zwiększając ciśnienie powodujemy ułożenie cząsteczek bliżej siebie. Trzeba z zewnątrz dostarczyć większej energii aby spowodować przeskok. Zmniejszając ciśnienie wystąpi mniejsza liczba cząsteczek, większa odległość między nimi. Elektron może uzyskać większą energię. Potrzeba mniejszego napięcia aby spowodować przeskok. Liczba cząstek jest na tyle mała aby elektron przebył drogę nie powodując jonizacji. W stanie idealnej próżni uzyskalibyśmy nieskończenie dużą wytrzymałość elektryczną.
I- (0-U1)- następuje odpływ ładunków elektrycznych do elektrod powstaje stan ustalony prądu zwany stanem nasycenia
II- (U1...
damiano_80